【正文】 .. 52 中國(guó)石油大學(xué)（北京）本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 前 言 用于大于等于兩種流體之間、固體和流體之間、固體粒子之間，或有熱接觸但溫度不同的同種流體之間的熱量（或焓）傳遞的裝置，叫做換熱設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程中熱量傳遞和交換的設(shè)備。熱交換器的性能對(duì)能源的利用率、產(chǎn)品的質(zhì)量以及整套設(shè)備或者系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性起著至關(guān)重要的作用，有時(shí)候甚至起著決定性作用。然后便開(kāi)始了工藝計(jì)算，對(duì)原油的流量、平均傳熱溫度和傳熱面積進(jìn)行計(jì)算。 工業(yè)生產(chǎn)中，熱交換設(shè)備的主要作用是讓熱量（或焓）由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體的溫度達(dá)到工藝過(guò)程中規(guī)定的指標(biāo)，從而滿足工藝過(guò)程的需要。換熱器的殼體和兩側(cè)的端蓋上（偶數(shù)管程則是一側(cè)）裝有流體的進(jìn)出口，也有根據(jù)要求在其上裝設(shè)檢查孔，為安置測(cè)量?jī)x表用的接口管、排氣孔和排液空等。 在管殼式熱交換器的基本設(shè)計(jì)方法中，要在滿足工藝過(guò)程要求的前提下，達(dá)到安全和經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。 熱交換器的各零部件的設(shè)計(jì)和選擇依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是 GB15120xx[2]《 熱交換器》 。但小管徑的流體有較大阻力，且不方便清洗，容易結(jié)垢堵塞。將管程和殼程的流體分開(kāi)，避免冷熱流體的混合，同時(shí)受到管程、殼程的壓力和溫度的作用。因此，在滿足強(qiáng)度的要求下，應(yīng)盡量減少管板的厚度。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求，需要增加換熱面積的時(shí)候，可采用增加換熱管的長(zhǎng)度或管數(shù)的方法。折流板一般是等間距布置，管束兩端的折流板應(yīng)放置在靠近殼程進(jìn)出口接管。其中，傳熱強(qiáng)化和節(jié)能技術(shù)是 熱交換技術(shù) 研究的主體方向。祁飛，劉國(guó)振，賈曉艷在《固定管板式換熱器熱處理有關(guān)問(wèn)題的探討》 [11]一文中分析道，設(shè)備是否進(jìn)行焊后熱處理選用哪種熱處理，應(yīng)首先分析其熱處理的目的，充分理解標(biāo)準(zhǔn)中含義，再做出正確的選擇，從而才能設(shè)計(jì)且制造出合格產(chǎn)品。王武超，趙競(jìng)?cè)凇独淠鲃?dòng)態(tài)性能仿真研究》 [16]一文中應(yīng)用移動(dòng)邊界法（ MB)對(duì)冷凝器建立了動(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，模型體現(xiàn)了冷凝器內(nèi)各個(gè)相區(qū)長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化，模型最終可以化為常微分線性方程組的形式，在求解上更為方便且兼顧了仿真的效率和精度，模型可提供冷凝器詳細(xì)的性能參數(shù)；研究 了在系統(tǒng)不同的控制參數(shù)階躍情況下冷凝器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，獲得了冷凝器的動(dòng)態(tài)特性，冷凝器的動(dòng)態(tài)特性是冷凝器動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和編制系統(tǒng)控制規(guī)律的基礎(chǔ)。s)） 10?? 10?? (kJ/(kgfiD? 查 GB15120xx[2]圖 25； fD ——設(shè)備法蘭上的外徑，對(duì)于 c 型連接方式為管板延長(zhǎng)部分做法蘭形成的凸緣外直徑， mm； iD ——換熱器中的殼程圓筒以及管箱圓筒的內(nèi)直徑， mm； tD ——換熱器管板上的布管區(qū)當(dāng)量直徑， mm； d ——換熱器里換熱管擁有的外徑， mm； 39。r? ——熱交換器管板上的布管區(qū)旁邊位置徑向應(yīng)力， MPa； r? ——熱交換器管板上徑向擁有的應(yīng)力系數(shù)； 39。 根據(jù)任務(wù)書(shū)回流液走管程，原油走殼程。 根據(jù)設(shè)計(jì)條件中管口表中給出的連接尺寸標(biāo)準(zhǔn)，查 HG/T2061520xx[21]中WN/RF（ 帶頸對(duì)焊法蘭凹凸密封面）部分表 ，得到各個(gè)法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表 ，圖 。臥式容器支座又可分為鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，尤以鞍式支座使用最為廣泛。在常溫時(shí)許用應(yīng)力為170Mpa，在設(shè)計(jì)溫度 220℃ 的許用應(yīng)力為 152MPa，屈服限為 275Mpa。故本次設(shè)計(jì)采用 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 ，根據(jù)工作條件選擇 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 材料為 15CrMoR（正火加回火）鋼板。 橢圓封頭厚度計(jì)算 根據(jù) GB15120xx 中式（ 56） ? ?39。 ? ?2 cit cpD P? ??? ? （ 31） 式中： 計(jì)算壓力 1 .1 1 .0 1 .1 M P acP ? ? ? ； 內(nèi)直徑 800mmiD ? 材料許用應(yīng)力 ? ? 152 MPat? ? 焊縫系數(shù) φ=（采用雙面焊、局部無(wú)損探傷） 以上數(shù)值代入式（ 31）得 : 1 . 1 8 0 0 3 . 4 2 m m2 1 5 2 0 . 8 5 1 . 1? ???? ? ? 按 GB15020xx[3]碳素鋼或低合金鋼容器的最小厚度不小于 3mm，該厚度值不包括 鋼 板 負(fù)偏差 1 2mmC? 和腐蝕裕度 2 2mmC ? 即 8mm? ?e ， 符合 GB15120xx[2] 第 3 章 強(qiáng)度計(jì)算 26 厚度標(biāo)準(zhǔn) 殼程圓筒的液壓試驗(yàn)及壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核。輕型用于滿足一般臥式容器使用要求；重型用以滿足臥式換熱器、盛裝液體重度大和 L/D 大的臥式容器使用要求。查 HG/T2061520xx[4]中表 得到DN50 對(duì)應(yīng)接管最小壁厚為 4mm，確定接管壁厚 ?? ，計(jì)算接管內(nèi)徑21 2 60 .3 2 5. 6 49 .1dd ?? ? ? ? ? ?mm。特別是對(duì)于含有混沙等易沉積的顆粒物料，流速過(guò)低可能使管路堵塞，嚴(yán)重影響了設(shè)備的使用，但增大流速又會(huì)使流體阻力有明顯的增大。? ——系數(shù)，按 siD? 和 39。39?！?）） 操作壓力 正常 /最大 MPa（ G） 進(jìn) /出口操作溫度（ ℃ ） 194/ 環(huán)境溫度 （ ℃ ） 壁溫 （ ℃ ） 進(jìn)口管流體流速（ m/s） 主要材料 （推薦） 碳素鋼 碳素鋼 腐蝕速率 （ mm/a） 基本符號(hào) A ——?dú)こ虉A筒的內(nèi)徑橫截面積， 2mm ； dA ——在 布管區(qū)，由于設(shè)置隔板槽和拉桿的需要，而沒(méi)被換熱管支承的面積，2mm ； 1A ——管板開(kāi)孔之后剩下的面積， 2mm ； sA ——圓筒壁金屬的橫截面積， 2mm ； a ——換熱管管壁金屬的橫截面積， 2mm ； 第 2 章 熱力計(jì)算 10 fb ——設(shè)備法蘭的寬度，對(duì)于 c 型連接方式為管板延長(zhǎng)部分做法蘭形成的凸緣寬度， mm； 39。況莉在《循環(huán)水換熱器泄漏故障分析和對(duì)策》 [17]一文中，提出了循環(huán)水換熱器泄漏故障分析和對(duì)策，使得換熱器運(yùn)行效果良好，達(dá)到了降低維修費(fèi)用，保證裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的目的，為以后類(lèi)似換熱器的維護(hù)改造提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。劉執(zhí)彬、徐勇在《固定管板換熱器傳熱效率影響因素分析》[12]一文中，總結(jié)固定管板換熱器傳熱效率的影響因素有：流動(dòng)路線及防短路設(shè)置、折流板間距、管束在 殼程接管進(jìn)口或出口處的流通面積。目前還普遍用槽管、翅片管、螺紋管、波紋管等新型管子來(lái)擴(kuò)展表面以達(dá)到強(qiáng)化傳熱。折流板一般采用拉桿和定距管連接在一起 [9]。 管板與換熱管的連接是管殼式熱交換器的設(shè)計(jì)、制造中最關(guān)鍵的技術(shù)之一，也是熱交換器出事故率最高的部位，所以，熱交換器中管板和換熱管的連接質(zhì)量的好壞直接影響了熱交換器的使用效果和使用壽命。同時(shí)也在這個(gè)基礎(chǔ)上考慮管束對(duì)于管板的撓度有約束作用，但忽略對(duì)于管板的轉(zhuǎn)角具有約束作用；管板周邊沒(méi)有布管區(qū)域?qū)馨逵袘?yīng)力影響，把管板劃分成為兩個(gè)區(qū)，即靠第 1 章 文件綜述 6 近中央的布管區(qū)和靠近周邊較窄的不布管區(qū)；不同結(jié)構(gòu)形式的熱交換器，管板邊緣處具有不同形式的連接結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體的情況，考慮了殼體、法蘭、管箱、封頭、墊片等元件對(duì)管板邊緣轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的約束作用；管板兼做法蘭時(shí)，法蘭力矩對(duì)管板應(yīng)力的影響。當(dāng)流體腐蝕較低或者基本沒(méi)有腐蝕性的時(shí)候，管板一般采用壓力容器用的碳素鋼或者鍛件或低合金鋼板來(lái)制造。換熱管常用的材料通常有碳素鋼、銅、銅鎳合金、鋁合金、低合金鋼、不銹鋼、鈦等。整個(gè)熱交換器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于熱交換器是壓力容器的一種，則 GB15020xx[3]《鋼制壓力容器》也是一個(gè)運(yùn)用較多的標(biāo)準(zhǔn)，其他對(duì)法蘭、墊片的標(biāo)準(zhǔn)則選用新的能源部發(fā)布的HG/T2061520xx[4] 《鋼制管法蘭》，螺紋的選擇用到了 GB/T19620xx[5]《螺紋規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)》，而在制作過(guò)程中的選用則用到的是 ~[6]《容器支座》，在整體的設(shè)計(jì)中，熟練運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)非常重要的技能。設(shè)計(jì)主要包括了管子排列、管子支承結(jié)構(gòu)、管程數(shù)、管長(zhǎng)、殼體形式、熱交換器類(lèi)型、冷熱流體流動(dòng)通道等工藝計(jì)算和殼體、封頭、管板等零部件的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算。在高溫、高壓和大型熱交換器中，管殼式熱交換器仍具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是目前使用 最廣泛的一類(lèi)換熱器。 工業(yè)生產(chǎn)中，由于工作條件、用途、物料特性等不同，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備 。最后進(jìn)行了 熱交換器 的傳熱和阻力計(jì)算完成了整個(gè)熱交換器的熱力計(jì)算。管殼式 熱交換器 是屬于表面式換熱器的一類(lèi)，是 熱交換器 中使用最廣的一種， 雖然在傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性和單位傳熱面積金屬消耗量等方面不如一些新型的高效緊湊 式熱交換器，但它結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、易于制造、適應(yīng)性廣、生產(chǎn)成本低、處理能力大、選用的材料范圍廣、能承受較高的操作壓力和溫度、換熱表面的清潔比較方便。 石油、化工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)，需要經(jīng)常加熱低溫流體或冷卻高溫流體。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫(xiě)，不準(zhǔn)用徒手畫(huà) 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁(yè)以上的雙面打印 4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上 5）軟件工程類(lèi)課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔 1）設(shè)計(jì)（論文） 2）附件：按照任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂 摘 要 摘 要 固定管板式熱交換器是管殼式熱交換器的一種典型結(jié)構(gòu)，也是目前應(yīng)用比較廣泛的一種熱交換器。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。最后用 AUTO CAD 進(jìn)行裝配圖和各個(gè)零件圖的繪制，在陳老師的多次審圖之后出正式圖紙。近 20 年來(lái)，換熱設(shè)備在能量的轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中有著普遍的應(yīng)用 [1]。 前 言 2 因此對(duì)固定管板式熱交換器的研究和設(shè)計(jì)具有很大的意義，也是為了實(shí)現(xiàn)以下目的： 減小設(shè)計(jì)傳熱面積的熱交換器來(lái)減小質(zhì)量和體積； 提高現(xiàn) 有 熱交換器 的換熱效率； 使 熱交換器 能夠工作在溫差較低的環(huán)境中； 減小 熱交換器 的流體阻力來(lái)減少換熱器的動(dòng)力消耗。它是化工、煉油、食品、輕工、能源、機(jī)械以及其他許多工業(yè)部門(mén)被廣泛使用的一種通用設(shè)備。這類(lèi)熱交換器是目前使用最為廣泛的一種換熱設(shè)備。 固定管板式熱交換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 固定管板式熱交換器由管板、管箱、殼程、管子等零部件組成，管束連接在管板上，管板和殼體之間焊接，管束兩端用脹接或焊接的方法將管子固定在管板上，殼體進(jìn)出口管直接焊接在筒體上，管板外圓周和封頭法蘭直接用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接焊接在管箱上，管束內(nèi)根據(jù)換 熱管長(zhǎng)度設(shè)置多塊折流板，這類(lèi)換熱器的管程可以用隔板分程多個(gè)程數(shù)。進(jìn)出口壓力和溫度由工藝方面的要求來(lái)確定。換熱管是具有標(biāo)準(zhǔn)的尺寸（外徑壁厚）的鋼管，主要分為無(wú)縫鋼管和不銹鋼管。正三角形的排列方式能夠在相同的管板上排列最多的管數(shù)，所以用的最普遍，但是管外不便于清洗。在熱交換 器承受高溫、高壓時(shí)，高溫、高壓對(duì)管板的要求是具有矛盾的。 管箱位于換熱器的兩端，其作用是將管道輸送過(guò)來(lái)的流體均勻分布到各個(gè)換熱管，把管內(nèi)的流體匯聚在一起并送出熱交換器。 殼體一般情況下是個(gè)圓筒，在筒壁上焊有接管，可以流入和排出流體。當(dāng)今的化工等生產(chǎn)中的環(huán)境更加惡劣，介質(zhì)的腐蝕、毒性等情況會(huì)更加突出，所以新型材料也不斷的加入 熱交換器 的設(shè)計(jì)制造中。在這個(gè)大發(fā)展的背景下，我國(guó)的 熱交換器 也取得了巨大的突破，但是由于我國(guó)的熱交換器起步相對(duì)較晚，在一些高端熱交換器領(lǐng)域，比如模型化技術(shù)、電腦程序應(yīng)用于設(shè)計(jì)計(jì)算、高新材料在 熱交換器 的運(yùn)用等方面相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家較薄弱。陳文星，陳士瑋在《換熱 第 1 章 文件綜述 8 器優(yōu)選的灰靶決策法》 [14]一文中， 灰靶理論應(yīng)用到 熱交換器 設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)與優(yōu)選中，取得了與采用其 他方法分析一致的結(jié)果，顯示了它的有效性和實(shí)用性。設(shè)計(jì)出了工作穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)的魯棒性的換熱系統(tǒng)。39。39。? ——系數(shù)，按 hiD? 和 39。 （ 2）流體設(shè)備內(nèi)的流向 在無(wú)相變過(guò)程中，進(jìn)出口溫度確定時(shí)，逆流推動(dòng)力大于并流傳遞，同樣熱流量所需的傳熱面積較小，因而逆流總是優(yōu)于并流，但在實(shí)際換熱器中純的逆并流并不多見(jiàn)，其流動(dòng)形態(tài)較為復(fù)雜，因此根據(jù)純逆流的平均推動(dòng)力和修正系數(shù)來(lái)計(jì)算實(shí)際的推動(dòng)力， ? 值應(yīng)當(dāng)大于 。布置詳圖見(jiàn)裝配圖。 根據(jù) JBT4712[6]，選擇的支座為重型焊制 B，包角為 120176。蝶形封頭的主要優(yōu)點(diǎn)是便于手工加工成型，且可以安裝現(xiàn)場(chǎng)制造。 0 . 6 8 2 0 . 8 8 8 0 0 3 . 5 6 m m2 1 3 0 . 8 0 . 8 5 0 . 5 0 . 8 8h? ????? ? ? ?